数控机床是现代制造业的基础,直接影响着国家的经济发展和国家综合实力,体现一个国家的制造业水平,在机械、水电、航空航天等行业中发挥着重要作用。数控机床一旦发生了故障,不仅会影响生产效率,严重时还会导致设备停止运行或者造成巨大经济损失。因此对数控机床轴承、滚珠丝杠副等关键部件进行状态监测与故障诊断是十分必要的。本文基于第二代卡尔曼滤波阶次跟踪方法,研究了转速曲线的计算方法,三维阶次谱图的绘制,故障特征阶次分量的提取,最后进行基于阶次分析的数控机床故障诊断系统的开发。具体研究内容如下:(1)实现了基于数控机床电流信号的转速计算。转速计算是阶次分析的基础和实现阶次跟踪的关键。对于有转速脉冲信号的情况,实现了基于一阶数字微分的转速曲线计算方法。对于没有转速计和不方便安装转速计的情况,采用一阶数字微分和正弦函数拟合实现了基于数控机床电流信号的转速计算。对于只有振动信号的情况,实现了基于时频融合的转速曲线计算。结果表明,采用电流信号计算得到的转速曲线精度优于转速计计算和瞬时频率估计计算得到的转速曲线精度,并且不受所测对象结构限制。(2)基于第二代卡尔曼滤波阶次跟踪方法,实现了阶次分量的时域提取和多轴交叉阶次的解耦。结果表明,该方法能够从时域信号中直接分离提取各阶次分量。对于数控机床多轴联动产生的耦合阶次能够准确的解耦并提取。(3)通过由电流信号计算得到的转速曲线,实现了无转速计的三维阶次谱图绘制和故障特征阶次提取。结果表明,基于第二代卡尔曼滤波阶次分析方法得到三维阶次谱图的效率和阶次分辨率都高于第一代卡尔曼滤波阶次分析方法。另外通过三维阶次谱图能够准确的找出数控机床故障特征阶次和固有频率。通过识别滚珠通过阶次的变化来识别滚珠丝杠副预紧力的退化。(4)最后,研发了基于阶次分析的数控机床故障诊断系统。其主要功能包括:参数设置、数据采集、特征阶次计算、升降速阶次分析、实时阶次分析、故障特征阶次分量提取等功能。该系统界面友好而且操作方便。